近10年北京极端高温天气条件下的地表温度变化及其对城市化的响应

2013-12-21李晓萌孙永华李小娟

生态学报 2013年20期

李晓萌，孙永华，孟丹，余洁，李小娟

(城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地，资源环境与地理信息系统北京市重点实验室，三维信息获取与应用教育部重点实验室，首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100048)

全球气候变化是21世纪人类所面临的重要环境问题之一，20世纪90年代以来，全球极端高温事件呈现出强度大、频次高、影响范围广等特点，给社会经济和人民生产生活都造成了严重的负面影响［1］。国外学者对极端高温的研究比较早［2-4］，我国学者自20世纪90年代开始对极端高温进行研究，如Cuiping Zhao等选择15个极端温度指数，分析了海河流域1960—2009年极端温度的时空格局［5］。史军等分析了华东地区夏季极端高温的变化特征、发展趋势及高温成因［6］。姜德娟等分析了1961—2008年山东省极端温度事件的时空特征［7］。郑祚芳应用1960—2009年逐日气象记录，分析了北京地区极端气温的时间变化特征及其对城市化的响应［8］。

从以上可以看出，国内外学者对于极端高温发生频率和强度的变化规律给予了充分关注，但对极端高温发生时的地表温度分布，尤其是利用遥感手段研究极端高温对城市化的响应还涉及较少。北京市作为国际特大都市，城市快速发展，极端高温已经日益成为一种比较常见的气象灾害。因此，本文以北京市为研究区，利用2000年和2010年极端高温发生时MODIS卫星的地表温度(LST)产品数据，结合DMSP/OLS夜间灯光数据，应用差值、等温线、剖面分析等方法，研究北京市近十年来极端高温发生时地表温度的时空变化特征及其对城市发展的响应，对于减缓极端高温、合理进行城市规划等都有着重要的意义。

1 研究区概况

北京市地处华北平原西北边缘，位于北纬39°26'—41°03'、东经115°25'—117°30'。本文的研究范围为北京市，包括14区2县。2005年，为了促进城市功能优化，北京市划定四大城市功能区域，分别是首都功能核心区(西城区、东城区)、城市功能拓展区(海淀区、朝阳区、丰台区、石景山区)、城市发展新区(昌平区、顺义区、通州区、大兴区、房山区)和生态涵养发展区(怀柔区、门头沟区、平谷区、延庆县、密云县)(图1)。

我国气象局将极端高温分为3级:高温，大于等于35℃;危害性高温，大于等于38℃;强危害性高温，大于等于40℃［9-10］。北京市1980—2010年高温、危害性高温和强危害性高温的日数分别为249、25、3 d。从图2中可以看出，北京市近年来夏季极端高温天气呈增多趋势。

城市地表温度受当日气象条件的影响比较大。分析近十年的北京夏季高温天气，2000年6月13日与2010年7月6日，日最高气温分别为39.1℃和39.2℃，其他基本气象条件，如降水量、相对湿度、风速、日照时数等，也基本相似(表1)。因此，选用这两个极端高温日进行对比分析，在一定程度上可以反映近十年来北京地表温度的时空分布及变化特征。

2 研究方法与技术路线

本文综合利用遥感和地理信息系统技术，对近十年北京极端高温天气条件下的地表温度变化及其对城市化的响应进行分析。首先，对MOD11A1地表温度数据、DMSP/OLS夜间灯光数据和气象站观测资料等数据进行预处理，构建空间数据场。在此基础上，分别提取地表温度场信息以及城市化信息，并通过等温线分析、剖面分析、差值变化分析和栅格计算等方法，分别对地表温度时空演化和城市化进程进行分析。最后，从定性与定量两方面综合分析北京市近十年来城市化进程对极端高温发生时地表温度空间分布特征和时空演变规律的影响。技术路线如图3所示。

2.1 地表温度场信息提取

选取2000年6月13日和2010年7月6日MODIS地表温度产品(数据来源:美国国家航空航天局NASA)提取地表温度信息。利用Envi下的MODIS Conversion Toolkit模块，对MODIS地表温度产品进行处理，通过拼接、投影等操作，分别提取极端高温时的地表温度信息，得到地表温度分布图。MOD11A1陆地表层温度数据空间分辨率为1km，储存格式为HDF，地图投影为正弦投影。

图1 研究区概况图Fig.1 The image of study area

图2 北京市1980—2010年极端高温出现频次Fig.2 The frequency of extreme high temperature during 1980—2010

2.2 城市化信息提取

选取2000年与2010年的DMSP/OLS夜间灯光数据(数据来源:美国国家海洋和大气管理局NOAA)来表征城市化信息。夜间灯光数据是确定城市发展水平的指标之一［11］，许多国内外学者应用夜间灯光数据，研究城市建成区范围和城市化发展，利用夜间灯光数据提取的城市格局与利用Landsat TM数据提取的城市格局特征基本一致，可以满足城市化研究的需要［12-14］。

DMSP/OLS夜间灯光数据的空间分辨率为1 km，为了方便计算，将数据都统一转换为横轴墨卡托(UTM)投影，椭球体为WGS84。对DMSP/OLS夜间灯光数据进行裁剪、投影等操作，运用GIS空间分析和栅格计算方法，提取夜间灯光指数，分别得到2000年2010年北京市夜间灯光指数分布图。夜间灯光指数范围在0—63之间，数值越大代表城市化水平越高［15］。

表1 2000年6月13日与2010年7月6日基本气象情况对比(数据来源:中国气象科学数据共享服务网)Table 1 Comparison of basic meteorological conditions in June 13，2000 and July 6，2010(data source:China meteorological data sharing service system)

图3 技术路线图Fig.3 The technical flow

2.3 等温线分析

在地学研究中，通常要获取能够反映研究对象各方面特征的数据，等温线就是其中的重要表现方法之一［16-17］。等温线是图上温度值相同各点的连线，它可以反映出地理对象的空间分布及其变化特征，等温线分布越密集，说明温度变化越大［18］，本文利用ArcGIS的空间分析功能分别对北京市全市和城六区进行等温线分析。

2.4 剖面分析

为了更详细地了解地表温度的空间结构，对热场进行剖面分析是一种较好的途径［19-20］。通过对地表温度在某一基线上进行剖面分析，可以揭示城市热场在某一特定沿线的总体变化趋势和平面特征，把握城市热场的结构特征。本文选取六环路为基线，在ArcGIS中用3D Analyst工具条的Create Profile Graph对地表温度进行剖面分析。

3 结果与分析

3.1 地表温度时空分布特征分析

3.1.1 地表温度呈升高趋势

分别对2000年6月13日与2010年7月16日的地表温度进行统计(表2)，地表温度的最小值由24.49℃上升到 24.89 ℃，上升了0.40 ℃，最大值由51.99 ℃ 上升到52.95 ℃，上升了0.96 ℃ ，平均值由40.21 ℃ 上升到40.66℃，上升了0.45℃。由此可见，北京市极端高温时地表温度呈现出升高的趋势。

表2 地表温度值统计Table 2 Statistics result of the land surface temperature

图4 地表温度剖面分析图Fig.4 The profile analysis of land surface temperature

城市道路的地表温度也是表征城市热环境的指标之一［21］。以北京市六环路为例，对地表温度做剖面分析，从图4中可以看出2000年6月13日与2010年7月6日的剖面图走向趋势大体一致。2010年7月6日较2000年6月13日相比，地表温度的波动性变强，整个六环路地表温度的最低值，2000年为38.15℃，2010年为40.45℃，增加了2.3℃。北京六环路始建于1998年12月，于2009年9月全线通车，2000年至2010年这十年间正是六环路建设时期，是北京市快速城市化的典型代表工程，由此可见，在城市发展过程中，道路与交通运输对地表升温有着密切的影响。

3.1.2 地表温度空间分布特征

由图5的地表温度分布图中可以看出，2010年与2000年的地表温度空间分布格局存在一定相似性，高温集中分布在市中心，并由内向外逐渐降低。其中，市中心由于人口密度大、建筑物密集等原因，成为“热岛”区。西北部由于海拔高、植被密度高等原因，成为“冷岛”区，和实际情况相吻合。

高温区的范围明显增加。2000年，地表温度高温区主要集中在中心城区以及昌平区中部、房山区东南部、大兴区西南部等地区;2010年，地表温度高温区的范围扩大，昌平区东南部、顺义区、密云县南部、通州区、大兴区等地都有高温分布，且城市功能拓展区、发展新区的高温区增加面积要大于功能核心区与生态涵养发展区。

分别对2000年6月13日和2010年7月6日北京市和城六区的地表温度做等温线(图6)。可以看出，2010年7月6日较2000年6月13日相比，等温线分布密集，从而反映出地表温度分布的不均衡性进一步增加。对于全市而言，高温中心区2000年分布在房山区东南部、昌平区中部，2010年分布在丰台区的中部;对于城六区而言，高温中心区2000年分布在石景山区，2010年分布在丰台区南部和朝阳区南部，这主要是由于这十年间，丰台区和朝阳区大力发展房地产业、工业、商业，外来人口增多等原因造成的。

图5 北京市地表温度分布Fig.5 The land surface temperature distribution in Beijing

图6 地表温度等温线图Fig.6 The isothermal variation of Beijing

3.2 地表温度对城市化进程的响应分析

3.2.1 基于夜间灯光数据的北京城市化分析

本文选取2000年与2010年DMSP/OLS数据中的非辐射定标夜间平均灯光强度数据产品，来表征城市化信息。由图7和表3可以看出，北京市近年来城市扩张明显，由建成区向四周扩展，城郊的卫星城，如通州、昌平、亦庄、黄村、良乡、顺义等，以及城乡结合部等都表现出了明显的城市化特征;门头沟区、延庆县、怀柔区、密云县等一些远郊区县，变化不大。

3.2.2 地表温度与夜间灯光指数之间的关系分析

将2010年7月6日与2000年6月13日的地表温度进行相减，得到地表温度变化图(图8)，将这2日的夜间灯光指数进行相减，得到夜间灯光指数变化图(图9)。

图7 北京市夜间灯光指数分布图Fig.7 The night Lighte index number distribution in Beijing

表3 夜间灯光指数统计Table 3 Statistics result of the DMSP/OLS nighttime light index

从图8、图9可以看出:地表温度变化较大的区域主要集中在昌平东部、顺义东南部、平谷南部、通州中南部、大兴北部、房山东部、丰台中部、海淀北部等地区。夜间灯光指数增加较大的区域主要集中在昌平中东部、顺义、平谷南部、通州中南部、大兴北部、房山东部、丰台西部、海淀北部等地区。这表明地表温度增加较大的区域主要是城市化发展较快的区域，两者在空间分布上基本一致。

采用散点图方法对地表温度与夜间灯光指数之间的关系进行定量分析。图10给出，2000年地表温度与夜间灯光指数之间的关系和2010年地表温度与夜间灯光指数之间的关系以及地表温度变化量与夜间灯光指数变化量之间的关系。可以看出，随着夜间灯光指数的升高，地表温度呈现出明显的上升趋势，地表温度与夜间灯光指数的相关性较高，判定系数 R2分别为0.629与0.724(图10)，Pearson相关系数分别为0.794和0.851，均在0.01水平上显著相关。

图8 地表温度变化图像Fig.8 The variation of land surface temperature

图9 夜间灯光指数变化图像Fig.9 The variation of night light index number

随着夜间灯光指数变化量的增大，地表温度变化量呈现出增加趋势(图10)。判定系数R2为0.435，Pearson相关系数为0.660，在0.01水平上显著相关，说明地表温度的空间分布与城市空间发展趋势基本吻合。

图10 地表温度与夜间灯光指数之间关系定量分析Fig.10 The quantitative analysis of the relationship between the surface temperature and night light index number

4 结论与展望

北京市近十年来极端高温发生时地表温度的时空变化特征及其对城市发展的响应研究表明:

(1)近十年来，北京市极端高温时地表温度的最小值、最大值以及平均值均呈现出升高的趋势;北京市近年来地表温度空间分布特征发生变化，高温区的范围呈现出明显的增加趋势，且城市功能拓展区与城市发展新区的高温区增加面积要高于首都功能核心区与生态涵养发展区;

(2)2000年至2010年间，北京市城市扩张明显，由建成区向四周扩展;城市扩张对极端高温条件下的地表温度时空分布与变化趋势起着主导与控制作用。因此，应从北京市的整体规划角度考虑，优化城市用地功能结构，合理进行城市开发与建设，才能有效的缓解和应对极端高温带来的危害。

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